DEP0012604DA - Flügelradpropeller - Google Patents

Description

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fein des Ilrsten-Schaufelrades Tragflügelform auf. Sie sind daher auch nicht als Schaufeln sondern als Flügel anzusprechen. Me Senkrechten auf die Profilmittellinien der flügel (Plügelnormalen) achneiden sich dabei stets in einem innerhalb des Ilügelkreises gelegenen Punkt, dessen Abstand von der Propellerdrehachse ein Hass für die während eines Umlaufes ebenfalls konstante Steigung ist» Dieser Punkt ist hier beliebig innerhalb des Flügelkreises verstellbar und zwar auch durch Hull (Punkt in der Propellerachse) hindurch,, so dass die Steigung des Propellers von "Toll voraus⁸ auf ¹⁸YoIl zurück" verändert werden kann. Bass der Steuerpunkt beim Schnelläufer nicht nur auf einem durchmesser, sondern auch, senkrecht dazu verstellt werden kann» so dass der Propellerstrahl in beliebige Richtung gelenkt werden kann, ist ebenfalls bekannt.

!Darüber hinaus ist es beim Voith-Schneider-Propeller auch schon vorgeschlagen und ausgeführt worden, die Flügelschwingung derart zu steuern, dass die Steigung jedes Flügels während eines Umlaufes um die Hadachse wechselt, indem der Steuerpunkt während einer Radumdrehung hin- und herwandert bzw. pendelt. Hierdurch soll u.a. eine möglichst* gleichmässige Terteilung der Belastung auf die vordere und hintere Badhälfte bzw. auf die einzelnen Quadranten eines flügelkreises und damit ein möglichst guter Gesamtwirkuagsgrad drzielt werden. SJach diesem Torschlag ausgeführte Propeller haben auch in der Sat eine merkliche Wirkungsgradverbesserung gebracht.

Sie weitere Verfolgung der Forschungsarbeiten auf diesem Gebiet hat zu neuen Erkenntnissen geführt, denen die obenangegebene Definition der Erfindung entspringt. Me rechnerische Analyse der Propellerströmung zeigt, dass etwa bei einer Steigung (H/0^e7r=) X₀ =0,75 die höchsten Anströmwinkel der Propellerflügel nur etwa 15° betragen (H = im schubfreien Zustand während einer Radmndrehung zurückgelegter Weg, D = Durchmesser). Ober diese Werte kann bei stationärer Strömung nicht hinausgegangen werden, da sonst

die Strömung, abreiset. Dies gilt jedoch nicht für den Flügelradpropeller, weil bei diesem die Strömung um die flügel nicht stationär ist. Seim Flügelradpropeller ändert nämlich der Auftrieb während einer Umdrehung seines Betrag zweimal von lull bis zu einem Höchstwert * Sie Ausbildung eia®^ abgerissenen Sragflügelströmung benötigt nun aber infolge der besonderen Torgänge in der firenzschicht eine gewisse Zeit. Bei einem in einer Par alle?, strömung schwingenden Flügel -periodisch veränderlicher Anströmwinkel - reicht selbst bei verhältnismässig niedrigen frequenzen die Zeit nicht aus₉ um eine abgerissene Strömung zu erzeugen. Deshalb bleibt die normale nicht abgerissene Strömung mit guten Sleitaahlen bis zu erheblich höhereja Anstellwinkel (30 - 40°) als bei stationärer Strömung (10-15°) erhalten.

Diese Erkenntnisse zeigen, dass bei einem Schnellläufer mit wesentlich höheren Anstellwinkeln gearbdtet werden kann. Bei einer Hormalenschnittkinematik ist nun aber die Drehgeschwindigkeit des Flügels um seine Drehachse während des Umlaufes um die Radachse nicht konstant, sondern wechselt sehr stark. Je höher der grösete flügelwinkel gewählt wird, umso stärker rücken die Schwenkpunkte, bei denen der höchste Flügelwinkel erreicht wird, an den Umfangspunkt von 180° heran und umso grosser ist dann auch die Schwenkgeschwindigkeit des Flügels, der sich ja zwischen den beiden Schwenkpunkten um 180° drehen muss« Mit der Schwenkgeschwindigkeit steigt aber in gleichem Masse auch die erforderliche hydraulische Schwenkarbeit für dieses Durchdrehen des Fitigels vom positiven Höchstwert zum negativen Wert von -£ und damit ist, wie der Erfinder erkannt hat, eine Wirkungsgradeinbusse verbünden, die dem durch Erhöhung des Steigungsmasses überX =0,75 hinaus in den übrigen Bereichen des Flügelkreises erzielbarei^ Wirkuagsgradgewinn wieder wettgemacht. Die daraus gezogene Folgerung besagt, dass das Flügelbewegungsgesetz bzw* die su seiner Yerwirklichung dienende Kinematik (das l'lügelaatriebsgestange) derart gewählt werden muss, dass der Schwenk punkt in der vorderen Sadhälfte bei einem kleineren und in

der hinteren Sadhälfte bei einem grösseren Wert des Umfangswinkels liegen muss, als er sich bei der Steuerung nach der ursprünglichen strengen Normalenschnittkinematik ergibt» Als oberste Grenze für die lage des Schwenkpunktes in der vorderen Radhälfte bzw. als unterste Grenze in der hinteren Radhälfte wird daher der geometrisohe Ort für die Schwenkpunkte der flügelwinkelkurven nach der strengen Normalschnittkinematik angegeben, wobei sieh der Schwenkpunkt nach dem Gesagten zweckmässig in einigem Abstand von dieser Grenze hält«

Sie obenangegebene Forderung nach einer massigen Drehgeschwindigkeit der flügel könnte zweifellos mit einer Plugelwinke!kurve erzielt werden, die die Form eines Sinuskurve hat. Biese form der Flügelwinkelkurve ist aber aus ver^ schiedenen Gründen unbrauchbar. Der ansteigende Ast der Sinuskurve im ersten Bereich der vorderen Radhälfte und der absteigende Ast im gegenüberliegenden letsten Bereich der hinteren Radhälfte würde nämlich ein zu rasches Ansteigen des Anströmwinkels und damit die Gefahr der Ablösung der Strömung trotz der durch die nicht stationäre Bewegung hinsichtlich der Ablösung gegebenen günstigen Verhältnisse mit sich bringen. Andererseits ist der Flügelwirkungsgrafi längs des ffltigelkreises veränderlich. Er steigt bei der Normalenschnittbewegung von seinem lullwert bei ψ = 0° stetig an und erreicht seinen Höchstwert in der Umgebung jenes Umfangswinkels_f bei welchem der Ilügelwinkel seinen höchsten Wert besitzt. Bamit nun der Gesamtwirkungsgrad hoch wirä^ sollen alle gene Seile des Umfanges, die einen hohen Flügel» wirkungsgrad aufweisen, einen möglichst hohen Anteil der Gesamtleistung übertragen. Sie Flügel müssen daher gerade in diesem Bereich unter erheblich größerem Anströmwinkel arbeiten, als in den Gebieten mit schlechterem Flügelwirkungsgrad. Das Gebiet hoher ilügelwirkungsgra&e liegt !wischen ^= 90° und y β 180°. In diesem Gebiet ist aber der Leistungsanteil bei einer Flügelsteuerung nach einer Sinuskurve wegen der dort rasch abnehmenden Flügelwinkel und damit

auch der Anströmwinkel nur klein. Der Umkehrpunkt der Flügel· winkelkurve muss daher gemäss der Erfindung,in der vorderen Eadhälfte bei einem wesentlieh höheren und in der hinteren Eadhälfte bei einem wesentlich niedereren Wert des Umfangswinkels liegen als der Umkehrpuaakt der Sinuskurve (90 bzw. 270°)ο Als untere Grenze für die Lage des Umkehrpunktes der Flügelwinkelkurven für verschieden© Flügelwinkelhöchstwerte in der vorderen Badhälfte wird daher gemäss der Erfindung der Wert ψ = 100° und als oberste Grenze in der hinteren Eadhälfte der Wert (f = 260° angegeben. Für den maximalen Flügelwinkel £.___, = 50° würde dem-

nach der Umkehrpunkt bei einem y-Wert liegen, der in der vorderen Sadhälfte etwa zwischen 100 und 130 und in der hinteren Sadhälfte zwischen 230 und 260° liegt. Für einen Flügelwinkel £ = 60° ergeben sich etwa die Bereiche von

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105 - 140° bzw* 220 - 255 .

Nach einem weiteren Torschlag der Erfindung soll die Steuerung der Flügelschwingung weiterhin derart ausgebildet werden, dass bei einem Schwenkpunkt innerhalb der oben angegebenen Grenzen die flügel im Vorlaufquadranten sowie im vorderen und hinteren Quadranten oder wenigstens i® Vorlaufr quadranten und in einem wesentlichen Seil des vorderen und hinteren Quadranten mit einer Steigung = 1 oder sogar grosser oder etwas kleiner als 1 arbeiten. Sin nach den Vorschriften dieser Erfindung gebauter Propeller ergibt einen hohen Gesamtwirkungsgrad. Ausserdem bleibt die Drehgeschwindigkeit der Flügel um ihre Achse in massigen Grenzen und ist insbesondere kleiner als bei der Flügelbewegung nach dem strengen Hormalenschnittgesetz.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung dient die beiliegende Zeichnung. Dort ist in Abbildung 1 der flügelkreis mit dan üblichen Kennzeichnungen dargestellt, während in Abbildung 2 einige Flügelwinkelkurven gezeigt sind»

Der Flügelkreis 1 nach Abb. 1 werde von den Flügeln in der durch den Pfeil 2 angegebenen Eichtung durchlaufene Für die angegebene Vorschubrichtung 3 liegt dann das Steuer-

Zentrum Έ links vom Hullpunkt 0. Der rechte Endpunkt des Querdurchmessers 4 sei der Umfangspunkt ψ = 0/360 , die vordere Badhälfte reicht von ψ = 0° bis ψ ~ 180° und die hintere Radhälfte von ψ = 180° bis q» = 360°, der Torlauf-

η η.

quadrant von -%f - 315 bis *f - 45 und der Hücklaufquadrant von tf = 135° bis cp = 225°. Das F^ügelprofil ist mit 5 beseicnnet.

In Abbildung 2 ist über dem Umfangswinkel ψ für die vorder© Hadhälfte der Flügelwinkel £ aufgetragen. Bei einer strengen lormalenschnittkinematik ist der geometrische Ort für den Höchstwert des Flügelwinkels t (also für den Umkehrpunkt der flügelwinkelkurve) die Yerbindungsgerade 6 zwischen dem Umf angswinkel ψ= 90° f ür t - O⁰ (Steigungsmass X₀ = 0)und dem ümfangswinkel y = 180° mit & = 90° ( Steigungsmass A = I)* Pur eine Normalezischnittbewegung mit einem SteigungsmassX = 0,9 ist eine Flügelwinkelkurve eingezeichnet und mit 7 bezeichnet? ausserdem eine Flügelwinkelkurve 8 für das Steigungsmass A₀ = 0,75«. Der Flügelwinkelverlauf eines mit der konstanten Steigung ^₀ =· 1 arbeitenden Mittelläufers (Kirstenj) ist ebenfalls eingezeichnet und mit dem Bezugszeichen 9 versehen. Wie ersichtlich^ liegen di© allmählich von Hull ansteigenden Winkelwerte des Schnelläufers (Kurve 7) etwas unterhalb der Iferte für d@a Mittelläufer» Die wesentlichen Unterschied© zwischen dem Mittelläufer und dem Schnelläufer werden bei hohem Steigungs, mass erst in der Hähe des Umfang3winkelsψ= 180° erkennbar» Beim Mittelläufer ist die Drehgeschwindigkeit der Schaufel um ihre Drehachse auf dem ganzen Umfang konstant, während beim Schnelläufer bei hohen Steigungswerten die Drehgeschwindigkeit der Flügel stark wechselt und entsprechend dem steilen Abfallen d®r Kurve 7 sehre hohe TTerte annimmt. Tia G-egensatz hierzu wird gömäss der Erfindung etwa eine fluge lwinke !kurve vorgeschlagen, wie sie durch die Kurve 10 dargestellt ist. Diese Kurve steigt wesentlich schneller an als die Kurve 7» sogar schneller als die Mittellaufer-Xennlinie, erreicht ihren Höchstwert von 6_fflax = 64° bei ψ =

136°, während di@ Kurve 7 für eine strenge Uormalschnittbewegung diesen Wert erst bei ψ = 155° erreicht und fällt dann wesentlich langsamer als diese Kurve ab. Zum Vergleich ist auch noch die Sinuskurve 11 eingetragen. Der Bereich, innerhalb dessen nach der Erfindung der Umkehrpunkt der flügelwinkelkurven liegen soll, ist durch Strichelung eingegrenzt. Wie ersichtlich, sind die Kurven 7 und 10 im wesentlichen affin zueian&er. Geringe Abweichungen kö"nnen_f wie Versuche zeigen, zugelassen werden, ohne dass der ©esamtwirkungsgrad eine merkliche Inderung erfährt. Diese Erkenntnis ermöglicht für die praktisch© Verwirklichung der erfindungsgemässen flügelbewegung die Verwendung besonders einfacher Bewegungsorganismen» Si© beispielsweise gezeigte neue Flügelwinkelkurve ist nämlich auch annähernd affin zu jener Sormalensehnittbewegung, Kurve 12 ₉ deren Flügelwinkelhöchstwert bei dem gleichen Umfangswinkeli^= 136° liegt« Somit lässt sich die günstigste Flügelwinkelkurve 10 aus einer Wbrmalenschnittbewegung mit kleinerem Steigungmas§ durch Anwendung einer im wesentlichen konstanten Wickel übersetzung erzeugen, die sieh mechanisch durch geeignete Wahl der Hebellängen oder dergl. im flügelantriebsgestänge einer Kinematik für das übliche strenge lormalenschnittgesetz erzielen lässt.

Zur Vereinfachung sind die Betrachtungen an Hand der Abb. 2 nur auf den vorderen flügelhalbkreis erstreckt worden. Sie haben aber ihre Gültigkeit in gleicher Weise auch für den hinteren flugelhalbkreis (ψ = 180 bis 360°), für welchen symmetrisch au fjp= 180° die gleichen flügelwink®l_p lediglich mit negativem Vorzeichen (yiügelkopf einwärts) zu wählen sind, wenn dabei von dem bekannten Belastungsausgleich zwischen vorderer und hinterer Radhälfte abgesehen wird, der für die hintere Radhälfte etwas grosser© Flügelwinkelwerte erfordert als für die vordere. Die obenerwähnt©* in kleinen Grenzen zulässige Abweichung von der strengen Affinität der Kurven lässt auch ein© geringe Abweichung von der Symmetrie der flügelwiskel im vorderen und hinteren Flügelhalbkreis zu. Dadurch ist es ohne weiteres möglich^ die ELügelwinkel im hinteren Halbkreis grosser au halten als im vorderen* um so dem Umstand Rechnung zn. tragen* dass

der hinteren Hadhälfte Hasser zuströmt, das durch die vordere Hadhälfte bereits beschleunigt wurde.

Claims (5)

Pat entansprüche.

1.) Flügelradpropeller mit achsparallelen, um ihre Achse eine gesteuerte 3chwingbewegung ausfuhrenden Flügeln und innerhalb des Flügelkreises liegendem 3teuerζentrum sowie einem das 3teuerzentrum mit den Flügelschäften verbindenden Flügelantriebsgestänge, dadurch gekennzeichnet, dass der grösste Gchwingungsausschlag d.h. der grösste Flügelwinkel (£,„,,) in der vorderen und hinteren Radhälfte bei einem Umfangswinkel (JF') erreicht wird, der zwischen einem Umfangswinkel von etwa 100° in der vorderen Radhälfte und 260° in der hinteren Eadhälfte einerseits und einem Umfangswinkel· andererseits liegt, bei dem mittels einer für den gleichen maximalen Flügelwinkel ausgelegten strengen Normalenschnittkinematik dieser grösste Flügelwinkel erreicht wird.

2.) Flügelradpropeller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die

Flügel derart gesteuert werden, dass die Jteigung auf einem grossen Teil des Umfangs, insbesondere zwischenJ^= 260° undj = 100° grosser als 1 ist.

3.) Flügelradpropeller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Umkehrpunkt (Jchwenkpunkt) fur Propeller mit hohem Belastungsgrad näher an den Unkehrpunkt einer strengen Normalenschnittkinematik für den gleichen Flügelwinkelh'dchstwert gelegt wird, als für Propeller mit kleinem Belastungsgrad.

4.) Flügelradpropeller nach den Ansprüchen 1 - 3> dadurch gekennzeichnet, dass für den Flügelwinkelverlauf eine Kurve gewählt wird, die zu einer Flügelwinkelkurve einer strengen Normalenschnittkinematik mit kleinerem, aber bei dem gleichen Umfangswinkel liegenden Flügelwinkelhöchstwert affin ist.

5.) Flügelradpropeller nach den Ansprüchen 1-4* dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelwinkelkurve kinematisch von der affinen Kurve durch eine üoer dem Umfang im wesentlichen konstante itfinkelüberSetzung abgeleitet wird.

Heidenheim (Brenz), 13.Kai 1949
FLw/K/De.